纤维素纳米晶/聚乳酸生物基复合材料的界面调控及结晶机理研究

In this project, biodegradable polymer PHB with high and low molecule weight is innovatively chosen as a surface modifier of natural nanoparticles CNC to improve the dispersibility of CNC in the PLA matrix without compromising its biodegradability. The interface compatibility between CNC-PHB and PLA can be adjusted by the molecular weight of PHB, since PHB with high and low molecule weight have different compatibility with PLA. Effects of the surface structure and interface compatibility of CNC-PHB on the mechanical properties of PLA matrix will be investigated. Consequently, the synergistic reinforceing and toughening mechanism of CNC-PHB in PLA composites will be proposed. Meanwhile, with the help of grazing angle reflectance infrared spectroscopy and other in-situ characterization technologies, the effect of interface compatibility of CNC-PHB on the crystallization behavior and crystallization morphology of the PLA matrix will be investigated. By comparing the nucleation mechanisms of CNC-hwPHB and CNC-lwPHB by means of crystallization kinetic calculation, the molecular interaction between CNC-PHB and PLA chain should be evaluated. The research helps us to deeply understand the nucleation mechanism of modified CNC in PLA composites and will provide experimental basis and theoretical reference for the design and development of bio-nucleating agent for advanced PLA composites with outstanding properties.

本项目针对纤维素纳米晶（CNC）天然纳米粒子在改性聚乳酸（PLA）的过程中难以分散和PLA复合材料结晶行为研究尚无定论等关键问题，利用不同分子量PHB与聚乳酸相容性不同的特点，创新性的选择高分子量和低分子量聚羟基丁酸酯（PHB）生物高分子作为CNC的化学改性剂。通过控制接枝PHB的分子量，调节CNC-PHB粒子与PLA的界面相容性，考察CNC-PHB粒子的表面结构和界面特性对PLA力学性能的影响，阐明PHB表面改性的CNC对PLA的协同增强增韧改性机理。同时，拟借助掠角反射红外等原位表征手段，通过计算结晶动力学，考察不同界面特性的CNC-PHB纳米粒子对聚乳酸结晶行为和形态的影响，通过对这两种成核机理的比较研究，进一步阐述CNC-PHB与PLA分子之间的相互作用机制，加深对CNC成核作用机理的理解，并为进一步开发高性能聚乳酸用生物基成核剂提供实验基础及理论指导。

本项目针对纤维素纳米晶（CNC）天然纳米粒子在改性聚乳酸（PLA）的过程中难以分散和PLA复合材料结晶行为研究尚无定论等关键问题，利用了聚乳酸的立构复合作用来增强纳米粒子与聚乳酸基体之间的相互作用。聚乳酸因为乳酸中手性碳的存在而具有两种不同的手性，分别是左旋聚乳酸和右旋聚乳酸，两种手性不同的聚乳酸在一定条件下混合可以形成聚乳酸立构复合体，立构复合体有比较好的力学性能和高于均晶约50 ℃的熔点，同时，还有研究表明，少量立构复合体的存在，也能起到成核剂的作用，对聚乳酸的成核有一定的促进。因此，我们将右旋聚乳酸接枝到纤维素纳米晶的表面，然后加入到左旋聚乳酸基体中进行复合。研究发现经过表面接枝改性的纤维素纳米晶在氯仿中保持了较好的分散性，经溶液复合然后浇筑成膜的方式，能与左旋聚乳酸成功复合得到复合膜。由于纤维素纳米晶的成核作用及接枝的右旋聚乳酸链与左旋聚乳酸基体之间的立构复合作用，使得到的纳米复合材料有较快的结晶速率，研究表明CNC-g-PDLA对结晶的促进作用来源于其成核作用。同时，由于聚乳酸基体和纳米粒子之间强的界面作用，使纳米复合材料有很好的力学机械性能和抗热变形性。. 此外，为拓展硫酸酸解制备的CNC的应用范围改善其稳定性及再分散性，使其适用于更广泛的与聚合物基体的共混手段，我们通过旋转蒸发的方法制备了离子液体改性的CNC，由该方法制备的CNC粉末同时具有良好的热稳定性及再分散性。通过熔融共混的方法将IL-CNC粉末与PLLA复合制备了PLLA/IL-CNC纳米复合物，研究结果表明PLLA/IL-CNC纳米复合物相比PLLA/CNC复合物在熔融加工过程中具有更加良好的热稳定性，同时，随着IL-CNC含量的增加复合物的断裂伸长率增大。该方法绿色环保，操作简单，避免了CNC酸解后的繁琐透析过程，有望极大的拓展CNC在生物基纳米复合材料领域的应用。